Емкостные чувствительные элементы
Основные положения
Действие емкостных датчиков перемещения основано на преобразовании входной величины в изменения емкости конденсатора. Если выбрать конденсатор с плоскими параллельными пластинами, разнесенными на расстояние, и пренебречь всеми краевыми эффектами, то емкость такого датчика можно определить по формуле:
С(х)=(ε0εS)/d (3)
где ε0=8,8542-10-12 А•с/(В•м)- диэлектрическая постоянная;
ε- относительная диэлектрическая проницаемость;
S- площадь пластин;
d- расстояние между пластинами.
Таким образом, из формулы (3) следует, что емкость является функцией расстояния между электродами, площади электродов и диэлектрической проницаемости диэлектрика между электродами. Очевидно, что имеются три метода реализации емкостного датчика перемещения: можно изменять расстояние между обкладками, площадь электродов и диэлектрическую проницаемость. Емкостные чувствительные элементы, основанные на измерении изменения ε, применяют главным образом для определения состава веществ (при полном заполнении зазора контролируемой средой) и для измерения уровня при изменяющемся заполнении зазора, поэтому данный метод не рассматривается.
Чувствительные элементы с изменяющимся зазором
Изменение параметра d в формуле (3), приводит к изменению емкости по гиперболическому закону. Только при малых относительных изменениях расстояния, зависимость будет линейна. Для получения линейной зависимости необходимо, чтобы рабочий ход был не более 0,1 от начального зазора d.
Изменение емкости основано на изменении ширины зазоров, в результате перемещения средней пластины. Подобно индуктивному чувствительному элементу, с поперечным перемещением якоря и сдвоенными обмотками дифференциальный принцип и в этом случае наряду с удвоением чувствительности обеспечивает расширение линейного диапазона.
Характеристика чувствительных элементов с изменяющимся зазором
-входная величина: перемещение;
-выходная величина: изменение емкости;
-диапазон измерения: до 1 мм;
-погрешность от нелинейности: 1—3 %;
-частотный диапазон: 0 — 105 Гц;
-преимущества: малая величина необходимых для измерений усилий и достаточная чувствительность при высоких температурах;
-недостатки: чувствительность нелинейна; очень большое внутреннее сопротивление; необходимость применения коротких подводящих проводов; чувствительность к электрическим помехам.
Чувствительный элемент с изменяющейся площадью пластин
В формуле емкости конденсатора (3) величина S представляет собой площадь взаимного перекрытия пластин. Смещением обеих пластин относительно друг друга можно изменить площадь их перекрытия, причем для пластин прямоугольной формы зависимость площади от смещения линейна. Поскольку площадь находится в числителе формулы емкости конденсатора, то она линейно зависит от смещения. Использование пластин различной формы позволяет получить квадратичные, логарифмические и т. п. зависимости.
Датчики, основанные на данном методе способны измерять перемещения до нескольких сантиметров. Они имеют линейную характеристику, и просто получить характеристики других видов. Но они чувствительны к помехам, высокоомны, необходимо точное механическое изготовление.
Датчики с тросиковым приводом
Датчики с тросиковым приводом предназначены для измерения длин и линейных перемещений.
Устройство датчика: на барабан (1) внутри датчика намотан в один слой измерительный тросик. При вытягивании тросика через выход (2) барабан вращается. При этом измерительный датчик угловых перемещений (3), непосредственно связанный с осью барабана, вырабатывает электрические сигналы, характеризующие перемещение тросика. Возврат тросика и намотка на барабан осуществляется с помощью спиральной возвратной пружины (4) на оси барабана. Конец тросика можно легко закрепить на контролируемом объекте. Использование обводных роликов с гибким тросиком позволяет измерять линейные перемещения в труднодоступных местах.
Датчики угловых перемещений
Датчики угловых перемещений изменяют механические угловые перемещения в электрические сигналы. Датчики углового перемещения находят широкое применение в измерениях угловых скоростей, углов, линейных перемещений. Датчики углового перемещения делятся на два вида: инкрементальные датчики и датчики абсолютного положения.
Инкрементальные датчики создают информацию относительно положения и угла объекта в виде электрических импульсов, которые соответствуют положению вала. Когда вал неподвижен, передача импульсов прекращается. Инкрементальные датчики перемещения имеют основной рабочий параметр - количество импульсов на вращение.
Инкрементальные датчики вырабатывают сигнал при изменении углового положения вала относительно исходного состояния. Выходной сигнал представляет собой последовательность импульсов прямоугольной (реже синусоидальной) формы. Количество импульсов пропорционально изменению углового положения вала и может достигать 5000 на один оборот. Количество импульсов на оборот называют также числом разбиений на оборот. Сигналы синусоидальной формы позволяют осуществлять их интерполяцию, что позволяет обеспечить высокое разрешение датчика (до 36000 импульсов на оборот). Обычно инкрементальные датчики выполняются двух- или трехканальными. На двух выходах таких датчиков формируются последовательности импульсов A и B, сдвинутых по фазе на 90°, что позволяет внешним устройствам определить направление вращения. На третьем выходе формируется нулевой импульс, который выдается один раз на оборот и служит для привязки к определенному (исходному) состоянию машины.
Датчики абсолютного положения на выходе обеспечивают информацию об абсолютном угловом положении вала. Их преимущество состоит в том, что эти датчики перемещения непосредственно выдают информацию о текущем значении угла и его не требуется вычислять. Датчики угловых перемещений и линейных применяются для: определения размеров, форм и габаритов объекта, определения наличия местоположения и расстояния до объектов, измерения скорости вращения, подсчета количества объектов.
Датчики абсолютного положения обеспечивают на выходе информацию об абсолютном угловом положении вала. Преимущество датчиков абсолютного положения состоит в том, что они непосредственно выдают информацию о текущем значении угла и не требуется вычислять его. При изменении углового положения вала в обесточенном состоянии датчика новое положение может быть считано непосредственно сразу после включении питания. Выходной сигнал представляет собой числовой эквивалент текущего значения угла. Число может быть представлено в двоичном коде или коде Грэя.
Разрядность кода, или разрешение датчика может достигать 14 бит. Существует 2 типа датчиков абсолютных углов: одно - и многооборотные. Многооборотные датчики вырабатывают информацию не только о текущем значении угла, но и о количестве оборотов. Разрешение таких датчиков по углу достигает 13 бит, число оборотов - до 4096 (12 бит).
Энкодеры представляют собой датчики угловых перемещений - они преобразуют механические угловые перемещения в электрические сигналы. Энкодеры находят широкое применение для измерения угловых скоростей, углов, линейных перемещений. Естественно, для измерения линейного перемещения его необходимо преобразовать во вращательное.
Энкодеры выпускаются со сплошным и полым валом. Энкодеры с полым валом позволяют более простую их механическую стыковку с приводом с меньшим количеством деталей. Поэтому, несмотря на несколько более высокую стоимость, применение энкодеров с полым валом позволяет в целом уменьшить затраты.